DESIGN GUIDE

Version 1.1

HDI Design Guide

 Durchgehende Vias oder Microvias? Through hole vias or microvias?
Auch eine Frage der Zuverlässigkeit! It is also a question of reliability!
In den IPC-2221A/IPC-2222 Design Richtlinien wird für durchgehende Vias ein maximales According to the IPC-2221A/IPC-2222 design guidelines a maximum aspect ratio of 6:1
Aspect Ratio von 6:1 bis 8:1 empfohlen (Aspect Ratio = Verhältnis Bohrtiefe zu Bohrdurch- to 8:1 is recommended for through hole vias (aspect ratio = relation hole depth to drill
messer). Ebenso wird für eine Standardleiterplattendicke von 1,60 mm ein minimaler diameter). Likewise, a minimum drill diameter of 0.25 mm is recommended for a 1.60 mm
Bohrerdurchmesser von 0,25 mm empfohlen. standard PCB thickness.

Diese Parameter sind absolut praxistauglich und werden so auch von Würth Elektronik These parameters are absolutely suitable for production and they are also recommended
empfohlen bzw. gefordert, wenn es darum geht, Leiterplatten mit höchster Zuverlässigkeit by Würth Elektronik. For high IPC Class 3 reliability requirements parameters like this are
herzustellen, die auch der IPC Klasse 3 entsprechen. Es ist aus Zuverlässigkeitsgründen essential. Due to reliability reasons it is not possible to arbitrarily decrease the via pad size
nicht möglich, die Padgröße und den Bohrdurchmesser der Vias beliebig zu verkleinern. and the hole diameter. The IPC 2221A design recommendations and tolerances result in a
Aus den Designempfehlungen und Toleranzen der IPC-2221A ergibt sich eine minimale minimum pad size of 0.55-0.60 mm.
Padgröße von 0,55-0,60 mm.

BGA Pitch 1,00 mm BGA Pitch 1.00 mm

Falls es die Gesamtkomplexität der Leiterplatte zulässt, kann ohne Microvias mit durch- If the overall complexity allows it, a design with only through hole vias (i.e. without micro-
gehenden Vias mit einer IPC konformen Standard-Padgröße von 0,60 mm gearbeitet vias) can be used, with an IPC conform standard-pad size of 0.60 mm (see figure 1).
werden (siehe Abbildung 1).

Fine Pitch BGA Fine Pitch BGA

Für Fine Pitch BGA Bauteile ist das kaum möglich. Falls dafür ein zu ungünstiges Aspect This is hardly feasible for Fine Pitch BGA components. If for such features the aspect
Ratio bzw. zu kleine Bohrdurchmesser verwendet werden, drohen Zuverlässigkeitspro- ratio is too critical or the drill diameter is too small then, reliability problems threaten!
bleme! Aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungsverhältnisse zwischen Kupfer und FR4 Due to different expansion coefficients of copper and FR4 material the barrels of the vias
Material können die Hülsen der Vias allzu früh reißen, entweder schon bei mehrfacher could crack all too soon, either during multiple lead free solder processes or at the latest
bleifreier Lötung oder spätestens bei Zuverlässigkeitstests (siehe Abbildung 2). by reliability tests (see figure 2).

Die Lösung: lasergebohrte Microvias The solution: laser drilled microvias

Wenn kein Platz für eine ausreichende Viapadgröße mehr vorhanden ist, dann sollten die If there is not enough space for a suitable via pad size, the much smaller microvias should
deutlich kleineren Microvias verwendet werden. Microvias werden bis zu einer Bohrtiefe be used. Microvias can be used up to a drill hole depth of approx. 100 µm and due to their
von ca. 100 µm eingesetzt und haben aufgrund ihrer kurzen Hülsenlänge kein Problem mit short barrel they do not have any problems with different expansions (see figure 3). For this
unterschiedlichen Ausdehnungen (siehe Abbildung 3). Deswegen sind Microvias i.d.R. zu- reason, microvias are more reliable than small through hole vias as a general rule.
verlässiger als kleine durchgehende Vias!

Abbildung 1: BGA Pitch 1,00 mm Abbildung 2: Hülsenriss Abbildung 3: Lasergebohrte Microvias

Figure 1: Pitch 1.00 mm Figure 2: Barrel Crack Figure 3: Laser drilled Microvias

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BGA 0,80 mm Pitch BGA 0.80 mm Pitch
Für 0,80 mm Pitch BGAs kann für weniger komplexe Leiterplatten (max. 1,80 mm dick, For 0.80 mm pitch BGAs and PCBs of not too high complexity (max. thickness 1.80 mm,
max. 12 Lagen) mit durchgehenden Vias gearbeitet werden. Dafür muss die Viapadgröße max. 12 layers) it is possible to use through hole vias. In order to achieve this the via pad
auf 0,50 mm verkleinert werden. Mit dieser Padgröße kann mit eingeschränkter Ferti- size has to be reduced to 0.50 mm. Using such a pad size a reliable production is possi-
gungstoleranz noch zuverlässig gefertigt werden. ble with limited manufacturing tolerances.

Grundsätzlich zu empfehlen und für komplexe Leiterplatten bzw. BGA Bauteile mit einer Microvia solutions are generally recommended and for complex boards or for complex
hohen Anzahl angeschlossener Pads zwingend erforderlich, sind Microvia Lösungen. BGA components with a high number of connected pins they are absolutely necessary.

Variante 2 zeigt Microvias mit Dogbone Anbindungen. Das hat den Vorteil von absolut Variant 2 shows microvias connected with dog bones. The advantage here is an absolu-
planaren Lötflächen, da keine Microvias in die BGA Pads gesetzt sind. Der Nachteil dieser tely planar surface of the solder pads as microvias are not set into the BGA pads. The dis-
Variante: auf der Außenlage können kaum Leiterbahnen zwischen den Pads verlegt wer- advantage of this variant is that routing tracks between the pads on the outer layer is
den. hardly feasible.

Variante 3 ist die am häufigsten verwendete Technik: Via in Pad, so kann die Außenlage Variant 3: via in pad, is the most frequently used technique. With this variant the outer
voll für Verdrahtungen genutzt werden. layers can be completely used for routing.
Die durch die Microvias entstehenden Vertiefungen erhöhen zwar das Risiko von Voiding The dimples caused by the microvias do indeed somewhat raise the risk of voiding, but
etwas, das ist aber durch geeignete Lötbedingungen sicher beherrschbar. In Ausnahme- with suitable soldering conditions this can be safely controlled. For special cases an addi-
fällen kann dieses Risiko durch ein zusätzliches Füllen der Microvias beseitigt werden, das tional microvia filling process could be used to avoid the dimples and the risk of voiding,
ist allerdings nicht ganz kostenneutral. but there are extra costs involved in this.

Auch Kombinationen der drei Varianten sind natürlich möglich. Combinations of the three variants are of course also possible.

Var. 1 Var. 2 Var. 3

Var. 1 Var. 2 Var. 3

BGA Lötpad BGA Solder Pad max. 400 µm max. 500 µm
Lötstoppmaskenfreistellung Soldermask Clearance 50 µm ≥ 50 µm 50 µm
Via Padgröße BGA Bereich Via Pad Size BGA Area 500 µm
Microvia Pad Außenlagen Microvia Pad Outer Layers - 300 / 350 µm 300 / 350 µm
Microvia Pad Innenlagen Microvia Pad Inner Layers - 300 / 350 µm 300 / 350 µm
Leiterbahnbreite /-abstand Außenlagen Track Width / Spacing Outer Layers ≥ 100 µm ≥ 100 µm ≥ 100 µm
Leiterbahnbreite /-abstand Innenlagen Track Width / Spacing Inner Layers ≥ 100 µm ≥ 100 µm ≥ 100 µm

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 BGA 0,75 mm Pitch BGA 0.75 mm Pitch
Bei 0,75 mm Pitch BGAs ist eine ausreichend große Padgröße für durchgehende Vias im With 0.75 mm pitch BGAs a sufficient pad size for through hole vias is hardly feasible
BGA Bereich kaum möglich. within the BGA area.
Würth Elektronik empfiehlt aus Zuverlässigkeitsgründen für diese Bauteile, Microvias ein- In order to ensure reliability, Würth Elektronik recommends using microvias for such
zusetzen. So kann komplett mit Standardparametern für Leiterbahnbreiten, Leiterab- components. In this way standard parameters for track widths, spacing, pad sizes and
stände, Padgrößen und Lötstoppmaskenfreistellungen gearbeitet werden. solder mask clearances can be utilised.

Leiterbahnbreite
soldermask clearance 50 - 65 µm track width 100 / 125 µm

BGA Pad ø 350 µm

m

0.75 mm Pitch

BGA 0,65 mm Pitch BGA 0.65 mm Pitch

Für 0,65 mm Pitch BGAs sind Microvias zwingend erforderlich. Möglicherweise muss die For 0.65 mm pitch BGAs microvias are definitely required. The track width in the BGA
Leiterbahnbreite im BGA Bereich auf 90 µm reduziert werden, in seltenen Fällen auch area may need to be reduced to 90 µm, or in rare cases even less than this. This depends
darunter. Das hängt von der verwendeten BGA Padgröße ab. on the BGA pad size used.

0.65 mm Pitch
0.65 mm Pitch

BGA Pad ø 350

BGA Pad ø 350
Leiterbahnbreite / track width 90 / 100 µm
soldermask clearance 50 µm Leiterbahnbreite / track width 90 / 100 µm
soldermask clearance 50 µm

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BGA 0,50 mm Pitch BGA 0.50 mm Pitch
Für 0,50 mm BGA Pitch müssen auf jeden Fall Feinstleiterstrukturen verwendet wer- Fine line structures will definitely be required for a 0.50 mm pitch BGA, we recommend 75 µm
den, wir empfehlen 75 µm (3 mil). Zusätzlich ist es erforderlich, die Microviapadgröße, (3 mil). It will also be necessary to decrease the microvia pad size, at least on the inner
zumindest auf den Innenlagen, auf 275 µm zu reduzieren. Für 75 µm Feinstleiterstrukturen layers, to 275 µm. For 75 µm fine line structures the final copper thickness on the surface
muss die Kupferendschichtdicke auf der Oberfläche auf ca. 25 µm begrenzt werden. is limited to approximately 25 µm.

Würth Elektronik empfiehlt die oben dargestellte Variante 1, bei der keine Leiterbahnen Würth Elektronik recommends variant 1 described above, without tracks between the
auf der Außenlage zwischen den BGA Pads hindurchgeführt werden. Damit können auf der solder pads on the outer layer. This avoids the need to use fine line structures on the outer
Außenlage Feinstleiterstrukturen vermieden werden. layers.

Variante 2 hat den Vorteil einer planaren Lötfläche (geringeres Risiko von Voiding) bei Variant 2 gives the advantage of a planar surface (lower risk of voiding), but with a redu-
allerdings reduzierter Lötpadgröße. ced solder pad size.

Bei Variante 3 muss auch auf den Außenlagen mit 75 µm Strukturen gearbeitet werden, With variant 3, 75 µm structures are needed on the outer layer as well. This increases the
was den Fertigungsaufwand erhöht. Zusätzlich muss hier die Lötstoppmaskenfreistellung production effort and the production costs. Moreover, the solder mask clearance has to be
auf 35 µm reduziert werden. Diese Variante kann allerdings möglicherweise helfen eine reduced to 35 µm. This variant could probably help to save one microvia layer. Generally
Microvialage einzusparen. Grundsätzlich hängt die Anzahl der erforderlichen Microvia- the number of the microvia layers required, and the kind of stack-up, depends on the com-
lagen, und damit der Lagenaufbau, von der Komplexität des Bauteils ab. plexity of the component.

Var.1: Via in Pad Var. 2: Dogbone Var. 3: Via in Pad

Var. 1 Var. 2 Var. 3

BGA Lötpad BGA Solder Pad 300 - 330 µm 240 µm 275 µm
Lötstoppmaskenfreistellung Soldermask Clearance 50 µm 40 µm 35 µm
Microvia Pad Außenlagen Microvia Pad Outer Layers ≥ 300 µm 275 µm 275 µm
Microvia Pad Innenlagen Microvia Pad Inner Layers 275 µm 275 µm 275 µm
Leiterbahnbreite /-abstand Außenlagen Track Width / Spacing Outer Layers ≥ 100 µm 80 / 90 µm 75 µm
Leiterbahnbreite /-abstand Innenlagen Track Width / Spacing Inner Layers 75 µm 75 µm 75 µm

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 QFP 0,40 mm Pitch QFP 0.40 mm Pitch
Auch für QFP Bauteile mit 0,50 mm und vor allem mit 0,40 mm Pitch können Microvias Microvias could also be of use for QFP components with a 0.50 mm and more particularly
hilfreich sein. with a 0.40 mm pitch.
Wenn ausreichend Platz vorhanden ist, werden die Microvias außerhalb der Lötpads mit If the amount of space available permits, microvias can be placed outside of the solder
Standard Padgrößen platziert. Wenn dafür die Entflechtungsfläche nicht ausreicht, dann pads using standard pad sizes. If the routing area is not large enough to allow this, then a
kann ein Microviapad auf das schmalere Lötpad draufgesetzt werden. microvia pad can be set on top of the narrower solder pad.

Zu beachten ist, dass eine minimale Lötstoppmaskenstegbreite von 70 µm nicht unter- The fact that a minimum solder mask web width of not less than 70 µm is used must be
schritten wird. Mit einer üblichen Lötpadbreite von 200 µm ist somit auch für 0,40 mm taken into consideration. With a usual solder pad width of 200 µm it is also possible for
Pitch QFPs zwischen allen Lötpads ein Lötstoppmaskensteg möglich. 0.40 mm pitch QFPs to have a solder mask web between all solder pads.

Lötstoppmaskensteg / soldermask web ≥ 70 µm

Lötstoppmaskenfreistellung /
soldermask clearance 62/50 µm

Pad ø 300 µm

0.40 mm Pitch
solder pad 200 µm

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 solder pad

BGA 0,40 mm Pitch BGA 0.40 mm Pitch

Um kleinere Strukturen als 75 µm zu vermeiden, kann für 0,40 mm Pitch BGAs mit When dealing with a 0.40 mm pitch BGA it is possible to utilise stacked microvias in
stacked Microvias gearbeitet werden. Das ist zwar mit Zusatzaufwand verbunden, da order to avoid fine line structures below 75 µm. There are, however, additional costs invol-
die Microvias auf den Innenlagen gefüllt werden müssen und der Lagenaufbau mögli- ved with this, as the microvias on the inner layers have to be filled and a more complex
cherweise komplexer wird. So können aber 0,40 mm Pitch BGAs mit seit Jahren be- stack-up may be necessary. But in this way 0.40 mm pitch BGAs can be routed using well
währten Technologien entflochten werden. established technologies.

Die Anzahl der erforderlichen Microvialagen und damit der Lagenaufbau hängt von der The kind of stack-up and the number of microvia layers required depends on the comple-
Komplexität des Bauteils ab. Auch für diese Bauteile, wie für alle anderen BGAs auch, xity of the component. As with all other BGA components we strongly recommend the use
empfehlen wir dringend mit Non Solder Mask Defined Pads zu arbeiten, insbesondere of Non Solder Mask Defined pads for 0.40 mm pitch BGAs, particularly due to the high
aufgrund der hohen mechanischen Stabilität einer solchen Lötstelle. mechanical stability of such a solder joint.

35 µm solder mask clearance Blue = outer layer

100 µm Leiterbahnbreite / Green = solder mask
ø 275 µm
solder pad track width Red = layer 2
Black = layer 3
Violet = layer 4

solder pad
µVia pad
on layer 1

ø 300 µm
µVia pad
on layer 2

ø 300 µm
µVia pad
on layer 3

ø 300 µm
µVia pad
on layer 4

Blue = outer layer

Green = solder mask
Red = layer 2
BGA Lötpad Black = layer 3 BGA Solder Pad 275 µm
Violet = layer 4
Lötstoppmaskenfreistellung Soldermask Clearance 35 µm
Microvia Pad Innenlagen Microvia Pad Inner Layers 300 µm
Leiterbahnbreite /-abstand Außenlagen Track Width / Spacing Outer Layers ≥ 100 µm
Leiterbahnbreite /-abstand Innenlagen Track Width / Spacing Inner Layers ≥ 100 µm

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HDI Microvia Standard Design Rules

microvia (for impedance stacked microvia standard – microvia outer layer layout
controlled PCBs) pad ø 300 μm
dielectric pad ø 550 μm distance pad / track 100 μm
pad ø 325 μm fin a l thickness track width 100 μm
ø 100 μm 58 – 70 μm
final ø 100 μm final ø 200/250 μm
Cu – filled distance track / track 100 μm
up to max. 4 layer
dielectric
thickness
85 – 110 μm
dielectric thickness
58 – 70 μm (layer 1-2)
dielectric thickness
55 – 68 μm (layer 2-3)

microvia
aspect ratio = 1 : 0.8
(diameter / depth) core material core material 100 μm

prepreg 100 μm
prepreg Buried PTH
Via

microvias layer 1 to 3

pitch 400 μm
max. 55 μm
max. 18 μm
max. 50 μm

distance track / track 100 μm inner layer

end ø 125 μm pitch 300 μm final ø 200/250 μm inner layer track width 100 μm
pad ø 350 μm pad ø 550 μm pad ø 550 μm distance pad / track 100 μm inner layer
staggered microvias inner layer distance pad / pad 100 μm inner layer
inner layer clearance
ø 550 μm inner layer layout (up to 35 μm Cu thickness)

Mehr Informationen zum Thema

HDI Microvia erhalten Sie auf unserer
Internetseite unter dem Link
www.we-online.de/microvia

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our website: Würth Elektronik Schopfheim
www.we-online.com/microvia GmbH & Co. KG
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An der Wiese 1
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